Projekt PortLand - Layer-2-Netz mit mehr als 100.000 Nodes

Wie ein Switch mit 100.000 Ports und einer Million virtuellen Endpunkten

Wissenschaftler der Universität Kalifornien in San Diego arbeiten mit ihrem Projekt PortLand an einer Software für Switches, die es erlauben soll, auch sehr große Rechenzentren mit über 100.000 Nodes in einem Layer-2-Netz zusammenzuschalten.

Artikel veröffentlicht am 19. August 2009, 14:57 Uhr, Jens Ihlenfeld

Layer-2-Switches arbeiten auf Basis von MAC-Adressen und leiten Pakete auf die Ports weiter, an denen die entsprechenden Adressen hängen. Die Zahl der so vernetzbaren Geräte ist aber beschränkt, denn die Switches müssen dazu entsprechende Zuordnungstabellen verwalten und die Adressen sehr schnell nachschlagen können. Daher reicht es nicht aus, die Geräte mit mehr Speicher auszustatten, schreibt Amin Vahdat, Informatik-Professor an der Jacobs School of Engineering und Leiter des Projekts, in seinem Blog. DRAM und SRAM sind zu langsam und Prozessoren mit 100 MByte L1-Cache nicht bezahlbar, so Vahdat.

Daher werden entsprechend große Netze heute auf Layer-3-Basis - also mit Hilfe von IP-Adressen - verwaltet, was aber einen ungleich höheren Aufwand mit sich bringt.

Im Ramen des Projektes PortLand arbeitet Vahdat mit Kollegen an einer Softwarearchitektur, die die Vorteile von Layer-2- und Layer-3-Netzen miteinander verbinden soll, so dass auch 100.00 Nodes und mehr in einem Layer-2-Netz verwaltet werden können, in dem jeder Node mit jedem anderen direkt kommunizieren kann.

Ein PortLand-Prototyp läuft derzeit im Netz der Jacobs School of Engineering. Die Software ist kompatibel zu bestehender Hardware und aktuell genutzten Routingprotokollen. Ein Switch mit 100.000 Ports, der mehr als 1 Million virtuelle Endpunkte vernetzen kann - so könnten sich Administratoren das Ziel des Projekts Portland vorstellen, erklärt Vahdat.

Kern des Ansatzes ist Location Discovery: Switche lernen automatisch ihre Position im Netzwerk des Rechenzentrums und vergeben dann Pseudo-MAC-Adressen (PMAC) an alle Server, die sie verbinden. Diese werden dann intern zur Paketweiterleitung genutzt und an Server, die eine Verbindung zu einem anderen aufbauen wollen, weitergereicht. Aus Sicht der Server ändert sich die Kommunikation nicht, denn vor dem letzten Hop wandelt der Switch die PMAC-Adresse wieder in eine normale MAC-Adresse um.

Mit diesen PMAC-Adressen sei es möglich, die Layer-2-Netzwerke zu strukturieren und die einzelnen Routingtabellen klein-, die Zeit zum Nachschlagen der Adressen kurzzuhalten. Zudem soll dadurch die Migration virtueller Maschinen im Netzwerk vereinfacht werden, denn schließlich werden die PMAC-Adressen automatisch von den Switches zugewiesen und verwaltet.

Ihre Forschungsergebnisse beschreiben die Wissenschaftler im Aufsatz PortLand: A Scalable Fault-Tolerant Layer 2 Data Center Network Fabric.